Shelley Duvall est découverte en 1970 par Robert Altman qui en fait son actrice fétiche avec Brewster McCloud (1970), John McCabe (1971), Nous sommes tous des voleurs (1974), Nashville (1975) et Buffalo Bill et les Indiens (1976). Trois femmes (1977) lui permet d’obtenir le Prix d’interprétation féminine au Festival de Cannes. Aux côtés de Sissy Spacek et Janice Rule, elle effectue une composition mémorable.
Anti-star emblématique du Nouvel Hollywood, elle est également dirigée par Woody Allen qui l’intègre au casting choral de Annie Hall (1977).
En 1980, Shelley Duvall retrouve Altman pour Popeye où ses grands yeux et son allure cartoonesque sont utilisés à merveille. Elle y incarne Olive Oil, face à un Robin Williams tout aussi déjanté. Mais le film est un échec commercial. La même année, elle interprète le rôle féminin de Shining de Stanley Kubrick, emploi pour lequel elle est restée célèbre. Les cinéphiles n’oublieront pas ses cris d’horreur lorsque son personnage est poursuivi par un Jack Nicholson devenu fou.
Sa carrière décline par la suite malgré Bandits, bandits de Terry Gilliam (1981) et le court métrage Frankenweenie (1984) de Tim Burton.
Par la suite, elle va se spécialiser dans la production de programmes télévisés pour enfants.
Au cinéma, elle ne tient que des petits rôles dans À fleur de peau (1995) de Steven Soderbergh, Portrait de femme (1996) de Jane Campion, ou la série B La malédiction de la momie (1998).
La comédienne tourne son dernier film en 2023 avec The Forest Hills de Scott Goldberg.
Shelley Duvall est décédée le 11 juillet 2024 à l’âge de 75 ans.